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| | 11年专注一个问题！不怕热中国科学家培育出“不怕热”的年专水稻 | |
? 文|《中国科学报》见习记者 江庆龄 中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心（以下简称分子植物卓越中心）研究员林鸿宣一直保持着“下地”的注个中国WhatsApp%E3%80%90+86%2015855158769%E3%80%91crane%20community%20chapel习惯。倘若组里学生遇到什么问题，问题闻科也随时可以找他讨论。科学 分子植物卓越中心博士后阚义，家培至今记得几年前的育出一场大雨。林鸿宣和学生们正在田间播种，水稻新豆大的学网雨点突然落下。他十分担心刚种下的不怕热水稻种子会被冲走，忙领着大家盖塑料薄膜“抢救”。年专忙乱过后，注个中国经人提醒才发现，问题闻科他的科学脸上挂了不少泥点子。 “每次下田，家培林老师都会跟着去。组里的新生第一次去田间采样，也是林老师亲自带。”阚义告诉《中国科学报》。 近日，林鸿宣团队与上海交通大学林尤舜团队、广州国家实验室李亦学团队合作，在林鸿宣所热爱的这块土地上种出了“不怕热”的水稻。在模拟高温的田间试验中，单基因改良的水稻株系比对照株系增产50%~60%，双基因改良株系产量提升约一倍，且不影响正常条件下的产量。12月3日，相关研究成果发表于《细胞》。  论文截图 问题来自田间地头 “我们团队主要是研究水稻，偏应用基础研究，所以就从农业生产中找重要的科学问题，以期为育种等工作提供理论依据。WhatsApp%E3%80%90+86%2015855158769%E3%80%91crane%20community%20chapel”林鸿宣说道，“高温等胁迫正是目前农业上新出现的重大问题。” 全球变暖正是罪魁祸首。常年在田间地头走动的林鸿宣，看到作物在高温下耷拉着脑袋，先是枯黄，然后死去，直接影响最后的收成。 据统计，全球平均气温每升高1℃，将给作物带来3%~8%的减产。四大作物（小麦、玉米、水稻、大豆）减产合计达19.7%。以水稻为例，高温不但会减少总产量，更严重影响水稻的灌浆，造成稻米品质下降、口感变差。 而联合国最新统计数据显示，2024年1月至9月，全球平均地表气温比工业化前的平均水平高出1.5℃。按照这一趋势，到2040年，高温预计会使全球粮食减产30%~40%。与此同时，人口增加导致粮食需求刚性增长。若粮食安全得不到保证，会引发一系列社会问题。 林鸿宣表示：“近几年，我国遭遇极端高温的天数越来越多，强度越来越大。但植物没办法像动物那样躲到阴凉地里。对我们农业工作者来说，就要想办法提高作物的耐热性，确保高产、稳产。” 本着这个目的，林鸿宣在过去的十多年间一直在和“如何提高水稻耐热本领”这个问题较劲。 2015年，林鸿宣团队在《自然-遗传学》发文，揭示了水稻耐热新机制。他们以生长于热带的非洲稻为材料，成功克隆了作物中第一个耐高温的数量性状基因位点TT1，并深入研究了其分子机理、在水稻演化史以及耐高温育种中的作用。此后，团队陆续发现TT2、TT3，以及同时调控耐盐碱和耐热性的基因ATT1/2，逐渐构筑起耐热复杂性状分子遗传机制及调控网络。 林鸿宣透露：“我们已经成功克隆得到TT4，正在对其分子机制开展深入探究。”  团队位于松江的水稻试验田 “主角”变“配角” 此次发表于《细胞》的工作，则是前期研究成果的进一步延续和扩展。 时间回到2022年初，关于TT2的论文在《自然-植物》发表，阚义是论文一作。他们将TT2导入广东优质稻品种“华粳籼74”中，培育出携带耐热性位点的新耐热品系。相较于对照亲本，该品系在苗期的成活率提高了8至10倍，且在高温胁迫下单株产量增幅达54.7%。 更为重要的是，TT2可编码一个G蛋白γ亚基。团队进一步深挖后，系统地将G蛋白调控、钙信号传导及解码、蜡质代谢通路联系起来，阐明了一条从上游信号产生到下游生理生化响应的调控通路，即TT2蛋白通过影响钙离子信号调节蜡质含量，进而调控水稻的高温抗性。 阚义是一个喜欢打破砂锅问到底的人。“把TT2敲除后，对水稻产生了非常大的影响。我们推测，它可能参与了不止一条信号通路。” 于是，以TT2这个“主角”为起点，他们进行了新的探索。出乎意料的是，随着实验推进，“主角”逐渐变成了“配角”。 团队先是综合运用多种组学方法，寻找能够和TT2互作的分子，最终锁定了细胞膜上的脂质分子二酰甘油激酶（DGK7）。随后，又通过DGK7发现了磷酸二酯酶（MdPDE1）。 进一步地，他们又发现了中间传递信号的“信使”。最终，他们描绘出了高温信号转变为“生物指令”的完整路径。 林鸿宣将这个过程形容为一场酣畅淋漓的“城市保卫战”。 倘若植物细胞是一个城市，细胞膜则是边境城墙。当高温危机抵达时，城墙上的“哨兵”DGK7被激活，生成大量脂质信使磷脂酸（PA），向城内“送信”。该过程完成了信号的首次转换与放大，将外界物理高温转化为细胞内的化学警报。 随后，PA进入细胞内部，将城外危情精准传递，并激活“中层指挥官”MdPDE1，并协助其顺利进入核心“司令部”——细胞核。MdPDE1随即开始“发号施令”，通过降解另一种信使分子环核苷酸（cAMP），维持耐热基因的表达，促使细胞合成热激蛋白、活性氧清除酶等“耐热武器”，使细胞从常态转入“高温应急状态”，抵御高温胁迫，产生耐热表型。 你可能会问：研究源头TT2怎么不见了？事实上，它此时在城墙上起着“监督”DGK7的作用，确保细胞不会引发过度警报和响应，以维持整体内部的稳定与平衡。  TT2-DGK7-MdPDE1热信号传递网络 要把耐热水稻搬上餐桌 “现在看这条通路非常清晰。当时为了搞明白其中的逻辑关系，花了非常多力气，是一个不断开盲盒的过程。”阚义举例道，“MdPDE1此前从未被报道过接收脂质信号、水解cAMP，并最终正向调控耐热。我们为了证明它具有这个功能，准备了三四十种不同组合的点突。” 管中窥豹，实验量和数据量无疑非常可观。为此，除了和老搭档、上海交通大学研究员林尤舜合作，林鸿宣另外联系了广州国家实验室研究员李亦学。三个团队各有优势——林鸿宣团队擅长遗传学，林尤舜团队优势在于分子机理研究，李亦学团队则精于生物信息学。 除了各自分工，他们也经常在一起开会进行“头脑风暴”。甚至有时候为了一个细节的分子机理问题，阚义会同林尤舜讨论到凌晨一两点。 三个团队之间的精诚合作，最终破解了水稻感知并响应高温的“双重密码锁”。2024年12月，团队将论文投往《细胞》。1个月后，他们收到了审稿意见。三位审稿人的意见都很正面，称该研究在植物耐热领域具有重要意义。 当然，该补的实验还是要补。由于涉及遗传实验，而水稻的生长周期达半年，阚义和他的师弟、分子植物卓越中心博士研究生穆晓瑞（同时也是论文的共同第一作者）第一轮补了7个月。又经过几个月的反复打磨，论文顺利被接收。 阚义说道：“审稿人是在帮我们，为了让我们的故事更加完美、结论更有说服力，所以每一轮提出的问题我们都会尽全力去完成。” 而对林鸿宣、阚义等来说，发表论文更多是出于提供理论基础、为同行提供研究思路的目的。他们更希望的，是亲手找到的基因，最终变成新品种，解决更多人的温饱问题。 因此，这项研究并未止步于解决科学问题。团队基于发现的新基因开展遗传设计，并专门搭建了模拟高温的田间大棚进行试验。这个试验持续了31天，每天的平均高温超过38摄氏度，平均最高温达46摄氏度。结果显示，DGK7和MdPDE1单基因改良的水稻株系均比对照株系增产50%~60%，而TT2协同DGK7的双基因改良株系比对照株系产量提升约一倍，且米的“颜值”和口感均比对照组好。 更重要的是，在正常条件下，改良株系的表现并不会受到影响。这意味着，面对无法预判的高温天，农民依然有希望丰收。同时，育种专家能够通过控制改良的基因数量，像调节音量一样精准设计“梯度耐热”品种，以适应不同地区的气候需求。 “由于TT2、DGK7和MdPDE1在植物中都非常保守，这项研究也为水稻、小麦、玉米等主粮作物的耐热育种改良提供了理论依据与基因资源，有着重要应用前景。”林鸿宣表示，“希望今后利用这些基因进行后续的育种改良等工作。”  DGK7和MdPDE1高温下保护水稻产量
11年做了1件事 在这个耐热调控网络中，阚义的贡献不容忽视。 本科以工科为主的阚义，对分子生物学十分感兴趣，很早就开始关注林鸿宣在水稻抗逆方面的工作。 2014年，阚义顺利来到林鸿宣课题组进行硕博连读。他给自己做了个规划：两三年发一篇不错的论文，然后顺利毕业。 命运的转折点发生在2015年。当时，有关TT1这篇论文刚刚发表，林鸿宣交给阚义两个水稻群体，让他从中寻找其他耐热的基因。 “这是一个很好的方向！”阚义信心满满地接下了。但做着做着，他发现，水稻漫长的生长周期，决定了科研产出的滞后性。周围同学在两三年里陆续发了好论文，而他还穿着水鞋和单衣，在高温大棚里一边观察、一边收水稻种子；一起入学的同学都博士毕业了，他还在电脑前整理着繁杂的实验数据，梳理头绪…… 要说没有压力，自然不可能。但好在，阚义很清楚自己做科研的目的。他相信，投入的时间成本是有意义的。阚义也很感谢自己的好师弟——穆晓瑞，自2019年他加入后，仿佛给这项工作注入了新的力量。 同时，林鸿宣和林尤舜给足了阚义“安全感”。“我几乎每天都能在实验室见到林鸿宣老师。如果遇到困难，我可以直接和林老师沟通，他也会尽全力帮我解决。”阚义回忆道，“同样地，在分子机理方面遇到问题时，我也可以随时随地跟林尤舜老师讨论，哪怕是凌晨抑或是深夜。” 就这样，他踏踏实实地在博士六年级时完成了第一篇论文，并投稿给《细胞》。投稿后，为了让这项工作有个好的收尾，他又延毕了一年。无奈的是，即便按照审稿意见认真修改了一年，却始终没有说服其中的一位审稿人，最终改投《自然-植物》，并顺利接收。 此次的研究，阚义和穆晓瑞同样倾注了大量心血。每一个结论都进行了多次重复实验，每一个关键环节都经过反复地讨论和验证。相比于几年前，即将出站的阚义多了些从容淡定。经过上次投稿的锻炼，他写稿时会反复与林尤舜讨论，只为把文章打磨得更好——无论是语言表达，还是逻辑严谨性。 “可能有人会觉得硕博7年毕业，博后又做了4年，是很漫长的过程。但对我们来说，这就是日常生活，并不会说到了一定节点就得做出什么成果。我们也是在正常生活，不过工作是在做科研。” “会担心论文被抢发吗？”记者忍不住问。 “也会担心，但是他们或许会抢基因、抢表型，抢不走我们的思路。”阚义自信地说道。 相关论文信息： http://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.003 文中图片均由研究团队提供 ?特別聲明：本文轉載僅僅是出于傳播信息的需要，并不意味著代表本網站觀點或證實其內容的真實性；如其他媒體、網站或個人從本網站轉載使用，須保留本網站注明的“來源”，并自負版權等法律責任；作者如果不希望被轉載或者聯系轉載稿費等事宜，請與我們接洽。 | 